Thursday, February 7, 2013

多自由度耦合哈密顿系统能量耗散,耗散系统特征谱

多自由度耦合体系中有关自由度的

动力学行为,结果发现有关自由度的运动在环境影

响下,谱密度分布向高频方向移动,频率分布范围明

显展宽,有关自由度的运动也达到混沌状态

有限体系能量耗散运动的功率谱分析

!

袁常青赵同军

! 王永宏展永

(河北工业大学理学院,天津

"##$"#)

(

%##& 年% 月’ 日收到;%##& 年( 月’ 日收到修改稿)

研究了有限的多自由度耦合哈密顿系统能量耗散过程的动力学问题

) 通过数值模拟,实现有关自由度的能量

耗散过程,采用功率谱方法研究有关系统运动中的坐标

!( ")或动量#( ")的演化过程) 结果发现:在有关系统的能

量耗散过程中,有关自由度运动的频率成分向高频和低频方向都有明显展宽,随着无关系统自由度增多,展宽明显

增加;低频成分比较稳定,高频成分随着时间的演变逐渐减少

)

关键词:有限系统,能量耗散,有关自由度,功率谱


!"##

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!

国家自然科学基金(批准号:$#"(&#$’,$#*(*#$+)和河北省自然科学基金(批准号:,%##*####&)资助的课题)

! -./012

:340567’’89:5;) <5/

$=

引言

有限多自由度体系能量耗散过程中不同自由度

的动力学行为是统计物理学中的基本问题

[$],也是

当代科学很多领域(如核物理、生物物理等)的重要

问题

[%—*],讨论有限系统中能量耗散过程的动力学

特性具有深远的意义

) 已有的理论工作指出,从微

观动力学角度通过耦合主方程理论能够推导出输运

方程来描述能量耗散过程

[&—$#],为进一步研究多自

由度耦合体系的动力学问题提供了理论依据

) 但在

以往的相关研究中,整个微观系统被分成“有关”和

“无关”的两个子系统,采用

>0?@9A1? 方程或B5CC9D.

E20?<C

方程对有限系统进行描述,无关子系统往往

被假设成有无限个自由度、具有遍历性的热浴或与

时间有关的正则系综

[$$,$%]) 若整个体系的自由度是

有限的,则不能简单地将无关子系统看作热浴

)

在最新关于非线性多自由度耦合系统的理论研

究中,通过自洽集体坐标方法

[+]将多自由度体系最

优化地划分成两个子系统,取一个自由度作为集体

(有关)自由度,其余都看作内禀(无关)自由度,对有

关自由度的动力学特征进行了分析

) 结果发现有关

自由度的能量耗散运动经历了三个过程:解相过程、

非平衡弛豫过程和饱和过程,同时发现能量耗散过

程的非平衡弛豫是反常扩散

[’,(]) 数值模拟可以给出

耗散过程中各子系统哈密顿量随时间的变化曲线,

而从坐标或动量入手来研究耗散系统动力学问题更

加简便

) 本文的工作主要是对能量耗散过程中有关

自由度运动的动力学变量

!( "),#( ")构建功率谱,

以获得有助于深入理解能量耗散过程动力学特性的

信息

) 由于问题的复杂性,这里只讨论与有关系统运

动相关的功率谱

)

%)

理论模型与数值模拟

在有限的哈密顿系统中,引入正则坐标系,借助

自洽集体坐标方法把一个轨道分成集体自由度和内

禀自由度,系统被分成有关和无关两个子系统

) 整个

体系的哈密顿量可表示为


$

F $! G $" G $<5; ) ($)

系统

!"" 被分成两个子空间! 和",这两个子空

间中的正则坐标各自为

!%

,

!!%

H

% F $,⋯和"#

,


"

!

#

H#F $,⋯,其中$!

只与

! 空间坐标有关,$"

只

与

"空间坐标有关,而$<5;

与

! 和" 两个子空间的

坐标都有关

) 这些坐标随时间的变化满足正则方程)

通过集体自洽坐标方法定义的正则坐标系消除了有

关系统与无关系统之间的线性耦合

[&])

从分布函数

$( ")的>15;A1229 方程出发,

$

·

(

")F I 1&$( "),

&’

# 1{$,’}F 1 !$

!

!

!

’!# I!$

!

#

!

’! ( ) !

,

(

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$

( ")#$(!( "),!!( "),"( "),"!( "))) (%J)

第

&* 卷第$% 期%##& 年$% 月

$###."%K#L%##&L&*

($%)L&’%.#(

物理学报

,MN, EOPQRM, QRSRM,

T52)&*

,S5)$%,U9<9/J9D,%##&

"


$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$


%##& M41?) E4:V) Q5<)


引入一对约化的分布函数,


!

"

(

!)! !"#!( !),

!

#

(

!)! !""!( !),

(

#$)

!"

" !""##%"" %"$"

,


!"

# !"$##%#$%#$

$


,

(

#&)

这里

!"

(

!),!#

(

!)和!( !)满足下述关系:

!"

!

(

!)’(,

!"

"!"

(

!)’(,

!"

#!#

(

!)’()

(

*)

算符

!" 定义为

!"

! !""!"# ’!"#!"" ) (+)

通过(

#$)式给出的两个分布函数,(()式中的哈

密顿量可以分解成以下形式:


#

’#" , ## , #-./

’

#" , #"

(

!), ## , ##

(

!)

,

#!

(

!)0 $1

(

!),

#

"

(

!)! !"##-./!#

(

!),

#

#

(

!)! !""#-./!"

(

!), (2)

$

1

(

!)! !"#-./!( !),

#

$34" ( !)’#"

(

!), ##

(

!),

#

!

(

!)! #-./ 0 #$34" ( !), $1

(

!))

对应的

56./36774 算符可以表示为

%

’%" , %# , %-./

,


%

-./ ’%"

(

!), %#

(

!), %!

(

!)0 %1

(

!),

%

"& ! 6{#"

,

&},

%

"

(

!)& ! 6{#"

(

!),&},

%

#& ! 6{##

,

&},

%

#

(

!)& ! 6{##

(

!),&}, (8)

%

-./ & ! 6{#-./

,

&},

%

!

(

!)& !(6 #!

(

!),&},

%

1

(

!)& ! 6{$1

(

!),&}! 1)

借助一个与时间有关的投影算符

[+,9,:]

’

( !)’!"

(

!)!"" ,!#

(

!)!"# 0!"

(

!)!#

(

!)!""!"#

,

(

9)

可以把分布函数

!( ! )分解成可分离部分和关联

部分,


!

; ( !)! ’( !)!( !)’!"

(

!)!#

(

!),

!

- ( !)![( 0 ’( !)]!( !), (:)

!

( !)’!; ( !),!- ( !))

从(

<)式可以得到,

!

·

;

(

!

)’0 6’( !)%!; ( !)0 6’( !)%!- ( !),((1)

!

·

-

(

!

)’0 6[( 0 ’(!)]%!; ( !)

0 6

[( 0 ’(!)]%!- ( !)) ((()

通过引入一个演化算符


(

(!,!= )’)4>? 0#6 !

!

=

{

%%[( 0 ’(%)]%},((<)

可以得到关于

!; ( !)的主方程,

!

·

;

(

!

)’0 6’( !)%!; ( !)0 6’( !)%(( !,!7

)

!- ( !7

)


0

#6 !

!

7

%

!= ’( !)%(( !,!= )[( 0 ’( != )]%!; ( != ),

(

(#)

这里,

) 表示一个时序算符,!7

表示初始时刻

) 容易

证明(

(#)式时间积分中的56./36774 算符% 可以替换

成

%-./

,把

!; ( !),’( !)用!"

(

!),!#

(

!)来表示,将算

符

!""

和

!"#

分别作用到(

(#)式两边,从而得到耦合

主方程


!

·

"


(

!)’0[6 %" , %"

(

!)]!"

(

!)

0 6!"

#

[

%" , %-./

]

(( !,!7

)

!- ( !)

0

#!

!

7

%

%!"#%!

(

!)(( !,%)%!

(

%)!"

(

%)!#

(

%),

(

(*$)

!

·

#


(

!)’0[6 %# , %#

(

!)]!#

(

!)

0 6!"

"

[

%# , %-./

]

(( !,!7

)

!- ( !)

0

#!

!

7

%

%!""%!

(

!)(( !,%)%!

(

%)!"

(

%)!#

(

%))

(

(*&)

(

(*)式所给出的耦合主方程与(<$)式是完全等价

的,而且可以作为导出输运方程并解释其基本假设

的一般性理论框架

[2]) 但是((*)式的具体形式十分

复杂,难以得到解析解,为了研究有限多自由度耦合

体系的运动,需要用计算机来模拟

[2,8]一个能量耗

散过程

)

在数值模拟中,有关系统采用一维谐振子,


#

"

(

*,+)’+<

<

, , (<

,

&< *<, ((+)

式中,

* 表示坐标,+ 表示动量,, 表示谐振子质量,

&

为圆频率)

对无关系统的模拟采用

"@A4"B6@C$;D$@E7$B

(

"@ACE)模型,

#

# ’%

-

%

.

’

+

<.

<

, ,%

-

%

.

’

/

(*. 0 *.0(

)

, /(*-%

),(

(2$)

/

( *)’**

* ,

*<

<


, (

(2&)

其中


(<

期袁常青等:有限体系能量耗散运动的功率谱分析+21#

!

! "

!

#

(

! $!"),

"

! "

!

#

(

!" %!),

(

"&’)

!

# ! "

!

#

(

"# $""#

),


"

# ! "

!

#

(

""#

%

"#

),

(

"&()

$

)

代表无关系统自由度数

*

关于两子系统之间的耦合作用,选取下列非线

性形式:


%

+,- !#( !# !#"

%

!#.

!

#"

,

.

)

* ("/)

这里,

!.

和

!",.

表示一个轨道在相互作用开启时刻

集体自由度的坐标和某个内禀自由度的坐标;

!"

是

!0123 系统中第一个振子的坐标,它在数值模拟

中担任门变量的作用,将无关系统的影响传递给有

关系统;

#表示耦合强度*

分布函数

$( &)由伪粒子方法给出,

$

( &)! "

$

4#

$

4

’

! "

%

( ! % !’( &))%( " % "’( &))

5

$

$

)

#

! "

%

( !# % !#,’( &))%( "# % "#,’( &)),("6)

式中

$4

代表伪粒子总数,即总的轨道数目

*("6)式

定义了一个系综,每个组成系统都由集体自由度与

一个内禀轨道相耦合

* 集体变量!’( &)和"’( &)以

及内禀变量

!#,’( &)和"#,’( &){# ! ",⋯,$)

}确定了


&

时刻第’个粒子的相空间代表点,这些变量随时

间的变化满足正则方程

*

各部分哈密顿量和总哈密顿量定义为

〈

%〉!%%$( &))!)"$

$

)

#

! "

)

!# )"# * (#.)

数值模拟中,参数选取如下:

( ! ",& ! .7#8,

#

! .7.."8,$4 ! 9...,’:; ! "..’+,< ( ’:;

为开启耦合

作用的时间,

’+,<

表示有关系统的特征时间),有关自

由度能量

)! ! 9.,每个无关自由度的能量(! ".,以

满足文献[

"]中指出的三个微观条件* 图" 给出了

%

!

,

%"

,

%+,-

和总的哈密顿量

% 的统计平均值随时

间

& 的变化情况*

图

" 各部分哈密顿量和总哈密顿量(’)$) ! #,(()$) ! =,(+)$) ! /,())$) ! ">

8>.=

物理学报8=卷

有限系统中的能量输运过程可以分为三个过

程,即解相过程、非平衡弛豫过程和饱和过程

[!,"]#

有关自由度的运动在解相过程中能量变化非常剧

烈,子系统之间能量输运达到平稳以后有关自由度

运动的变化不再剧烈

# 从图$ 可以看出当无关自由

度数比较大时,比如

!% & ’或$! 时,整个系统最终

满足能均分定理,所以以上给出的关于有关自由度

能量耗散过程的数值模拟是合理的,可以继续讨论

能量耗散过程中的动力学问题

#

通过分析

"( #)和$( #)的功率谱,能够从动力

学角度得到关于能量耗散过程的信息

# 在统计物理

学中,根据

()*+*,-./)+01/)+* 定理,与时间有关的变

量

%( #)的谱密度定义为

&

(!)& $

2

!!3

43


*

4 )!"〈%( #5

)

%( #5 6")〉%",(2$)

%

( #)的关联函数定义为

’

(")&〈%( #)%( # 6")〉

& 7)8

("3

$


(

!(

5


%

( #)%( # 6")%# # (22)

(

2$)式中的#5

表示起始时刻

# 作为初步研究,这里

只讨论有关自由度的运动受到环境影响之后的

变化

#

9#

功率谱分析

利用傅里叶变换可以分别得出

"( #)和$( #)的

谱密度

# 如果!%

给定,则无论对于有关自由度还是

无关自由度,讨论

"( #)的谱密度分布和讨论$( #)

的谱密度分布是等价的,即

"( #)的功率谱若在某个

频率

! 处出现峰值,则在$( #)的功率谱中也会相应

地在

! 处出现峰值,以下给出的都是关于$( #)的功

率谱

#

图

2 给出当(2$)式中#5 &":;

时有关自由度动

量

$( #)的功率谱随环境自由度数增加的变化情况#

表

$ 列出了图2 所示功率谱的频率特征细节,

"

! 表示有明显峰值出现的频率范围,!1

表示最强

峰值对应的频率,

"5

表示

#5 & $55"1<7

时

$( #)的关联

图

2 #5 & $55"1<7

时有关自由度动量

$( #)的功率谱(=)!% & 2,(>)!% & ?,(1)!% & ’,(%)!% & $!

$2

期袁常青等:有限体系能量耗散运动的功率谱分析@!5@

表

! !" # !""!$%&

时有关自由度动量

"( !)的功率谱频率特征

#

’!" "$ !"

( ")(*

—")++ ")(, *),

- ")!.

—")-( ")(/ *)*

/ ")!,

—")0+ ")+" *)+

!0 ")!!

—!)(" ")+( -)/

时间

) 从图( 中可以看出,随着#’增大,"( !)功率

谱上出现峰值的频率范围明显展宽,最强峰值向高

频方向移动,

"( !)的关联时间减小,随着#’的变化

有关系统的运动都不同程度地趋向于混沌

) 由于在

谱密度的计算中

!"

取为

!""!$%&

,所以图

( 给出的功

率谱主要体现解相过程中有关系统运动的频率

特征

)

当

!" # !("!$%&

时,对应有关系统运动的非平衡

弛豫过程如图

+ 所示,有关自由度动量"( !)的功率

谱与图

( 的结果相比,分布峰值的频率范围向高频

方向的展宽明显减弱(

#’越大展宽就越明显),最强

峰值对应的频率没有明显变化,但是峰值明显减弱,


"

( !)的关联时间进一步减小(见表(),有关系统的

运动达到混沌

) 随时间的推迟,"( !)功率谱中高频

成分减弱(

#’越大减弱就越明显),但是低频成分没

有明显变化,说明

"( !)长期变化的规律相对稳定,

图

+ !" # !("!$%&

时有关自由度动量

"( !)的功率谱(1)#’# (,(2)#’# -,($)#’# /,(’)#’# !0

表

( !" # !("!$%&

时有关自由度动量

"( !)的功率谱频率特征

#

’!" "$ !"

( ")(*

—")+( ")(, *),

- ")((

—")+/ ")(/ *)*

/ ")!.

—")** ")+" *)+

!0 ")!*

—")/( ")+( -)0

这是因为解相过程相对于非平衡弛豫和饱和过程是

很短暂的

)

当

!" # (""!$%&

时,对应有关系统运动的饱和过

程如图

- 所示,有关自由度动量"( !)的功率谱频率

特征与图

+ 相比没有明显变化,而"( !)的关联时间

进一步减小(见表

+))

*0"0

物理学报*-卷

图

! !" # $""!%&’时有关自由度动量"( !)的功率谱(()#) # $,(*)#) # !,(%)#) # +,())#) # ,-

表

. !" # $""!%&’时有关自由度动量"( !)的功率谱频率特征

#

) !" "% !"

$ "/$0

—"/.$ "/$1 0/-

! "/$$

—"/.- "/$+ 0/$

+ "/,2

—"/00 "/." 0/"

,- "/,1

—"/1$ "/.$ !/-

!3

结论

本文讨论了多自由度耦合体系中有关自由度的

动力学行为,结果发现有关自由度的运动在环境影

响下,谱密度分布向高频方向移动,频率分布范围明

显展宽,有关自由度的运动也达到混沌状态

/ 从有

关自由度的动量

"( !)的频率成分随时间的变化看,

在各无关自由度的影响下,有关系统运动的频率成

分向低频和高频方向都有展宽,解相过程出现明显

高频成分,在随时间的演变过程中高频成分明显减

弱,整个过程中低频成分无明显变化,即长期的变化

规律相对稳定

/ 环境自由度越多,则在解相过程中

有关自由度的动量

"( !)频率分布的展宽越大,最强

峰值对应的频率值向高频方向的移动就越明显,在

非平衡弛豫过程中,高频成分的减少也就越明显,这

主要是因为环境自由度越多对有关系统的运动影响

就越大

/

感谢中国原子能科学研究院卓益忠研究员、北京师范大

学晏世伟教授和包景东教授的有益讨论

/

[

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物理学报+.卷

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